基于PLC的交通指示灯.docx
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基于PLC的交通指示灯
摘要：
随着社会经济的不断发展和交通运输量的持续增长，利用智能运输系统（ITS）来提高道路的利用率、道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，已成为未来交通运输的发展方向。
交通监控系统作为智能交通系统的一个组成部分，在保证城市交通安全、畅通方面发挥着巨大的作用。
本文主要介绍如何利用三菱FX2N系列PLC与PC机构建一个智能交通监控系统，以提高交通监管部门的监管效率，减少道路拥堵，提高道路通行效率。
根据十字路口交通灯的控制要求，采用PLC实现常规交通灯的时序控制，通过传感器完成对交通异常状况的数据采集,由PLC进行智能判别及处理。
在系统的设计中，主要使用了PLC可编程序控制器和计算机监控相结合的一种智能控制方法，同时使用传感器采集车辆脉冲，用PLC内高速计数器对脉冲进行计数，根据取得的数据判断是否进行自动调节,改变红绿灯的时间长度，最大限度地减少车辆滞留现象，较好地解决了车流量不均衡、不稳定问题。
关键词：
可编程控制器交通灯智能监控
Abstract：
Alongwiththesocialeconomydevelopmentandthetraffictransportation,usingthesustainablegrowthofintelligenttransportationsystem（ITS）toimprovetheutilization,roadtrafficsafetycomfortableandutilization,hasbecomethefuturedevelopmentdirectionoftransportation.Asanintegralpartofthecityintelligenttransportationsystemthetrafficmonitoringsystemplaysatremendousrole,inordertoensuresmoothtrafficsafety.
ThispapermainlyintroduceshowtouseMitsubishiFX2NseriesofPLCandacomputertobuildaintelligenttransportationmonitoringsystem,aimtoimprovetrafficregulatoryoversightefficiency,reducetrafficcongestionandimproveroadusingtotherequirementsofthecrossroadstrafficlightscontrol，thePLCdesignisusedtoachievethesequentialcontrolofthenormaltransportation，throughthesensortocollectthedataoftheabnormaltrafficconditions,andintelligentdiscriminationandprocessingbythePLC.
Inthedesignofthesystem，onemethodofintelligentcontrolisusedwhichcombinesthePLCandthecomputer，andusingsensorstogathervehiclespulseandthehighspeedcountersofthePLCtocountthenumberofthecars，usescertainprinciplesofintelligentcontroltoadjustthelengthoftrafficlightsautomaticallyaccordingtothedataobtained，reducesthephenomenonofthevehiclesstrandedinalargescale，solvestheproblemsofnotequilibriumandunstabletrafficflowmagnitudewell．Thetestresultsshowsthatthesystemdesignedcanachievetheanticipatedtarget．
Keywords:
PLCTrafficlightsIntelligentmonitoring
1绪论
智能交通监控系统的研究背景
基于万维网地理信息系统（WebGIS）的公交智能公交运营指挥调度系统，是智能运输系统（ITS）的最新研究发展方向之一。
WebGIS是指基于Internet平台、客户端应用软件采用WWW协议运行在万维网上的地理信息系统，核心是在地理信息系统中嵌入HTTP和TCP/IP标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信息管理。
基于WebGIS公交信息查询服务系统包括交通电子地图的编辑显示、公交信息查询（如某条公交线路的停靠站点、票价等）、最优路径查询、公交线路变更说明。
基于WebGIS的公交车辆监控调度系统具有公交车辆的定位、中心与公交车辆间双向通信、向车辆发送调度指令、向乘客信息系统发送交通信息等。
软PLC（SoftPLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，使得安装有SoftPLC组态软件和基于工业计算机（以下简称PC机）控制系统的市场份额正在逐步得到增长。
控制软件是PLC控制器核心，PLC供应商正在积极地向工业用户提供开放式编程组态工具软件。
此外，开放式通信网络技术也得到了突破，将PLC融入更加开放的工业控制行业。
PLC与PC机的串口通信的三种通信协议：
计算机专用通信协议，无协议通信（采用RS命令进行数据通信）和自由协议通信。
现在生产的笔记本电脑基本没有RS＿232C接口，为解决笔记本电脑与PLC通信的问题，各主要生产厂家都提供了带USB接口的编程电缆，可以使用USB电缆来连接PLC与PC机，实现程序的高速下载或上传。
当前最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。
在最近的几年间，发展比现有普通小、快、灵PLC更加强大的PLC是种趋势。
Ethernet将会成为PLC的通信标准吗？
也许最终结果是这样的，但现在还为时尚早。
为了提高小型PLC的性能，生产厂家纷纷将大中型PLC的功能集成到小型PLC中。
西门子S7－200系列最新型产品的CPU有两个RS－485通信口，内置模拟量I/O，有PID参数自整定、位置控制、数据记录及配方等功能。
S7－200设计的OPC服务器PCAccess内置的客户机测试功能允许编程者迅速地进行变量的在线测试。
FX3U系列内置的编程口可以实现的高速通信，最多可以同时使用3个通信口（包括编程口）。
FX3U系列可以使用带RS＿232C、RS＿485和USB接口的通信功能扩展版。
FX3UC基本单元内置CC＿Link主站单元功能。
欧姆龙CP1H系列是用于高速处理的程序包型PLC，处理速度提高了约10倍。
CP1H系列可以扩展两个串行端口和向高位、低位通信的功能。
通过选件板的串行通信接口，可以在无程序状态下与Modbus从站通信。
智能交通监控系统的研究目的
自60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。
经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，是目前任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源；其次，PLC系统硬件技术成熟，性能价格比较高，运行稳定可靠，开发过程也简单方便，运行维护成本很低。
所有这些特点造就了PLC的旺盛生命力。
近年来，交通问题已成为包括我国在内的世界各国政府共同面临的重要难题之一。
智能交通系统通常简称为ITS（intelligenttransportationsystem，ITS），是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成并运用于交通系统，从而提高交通系统效率的综合性应用系统。
在本课题中三菱PLC主要用于红绿灯的控制，在红绿灯中加入‘直行、左转、右转’三向导向箭头。
车流量统计依靠PLC内部的计数器与定时器，在定时器预设的时段内对路口车辆数进行统计，根据在计数器内预设的不同车流量统计值，延长相应路口绿灯时间。
当运行中的PLC接收到一些特殊信号的响应请求时，PLC会在第一时间改变现有信号状态，将相应路口的三向红绿灯全部改变为绿灯,其余三个路口均变为红灯,实现特殊车辆快速通过,当特殊车辆通过路口后,各路口红绿灯恢复正常显示。
为实现上位PC机与PLC的数据通讯，有多种软件开发平台可以使用，但在Windows环境下，利用VisualBasic编写通信软件十分方便，编程工作量小，软件界面简单易行，尤其是它提供了十分重要的、具有强大功能的通信控件MSComm，可方便地实现对下位机地址和数据的接收和发送。
在利用MSComm控件设计通信程序时,只需根据几个重要属性设置好通讯口，按照通信协议，采用规定的数据格式通过Input（或Output）来接收发数据。
本课题主要研究以下几方面内容：
（1）利用三菱PLC的可靠性高、适用性强等优点，负责现场高速数据采集、定时、计数等控制任务,实现对交通信号灯的智能化控制，和对路况的监视。
（2）通过PC机上的VB程序建立一个信息处理提示界面，对PLC反馈的信息实现后台读取处理并及时进行信息发布。
（3）利用VB提供的串行通讯控件MSComm，通过RS_232串行通讯端口实现计算机与可编程控制器的通讯。
智能交通监控系统的实施意义
交通监控是对道路交通流运行状态及其交通设施和交通环境的监测和对交通流行为的控制。
由现场监控站和各级监控中心组成监控系统，是实现道路运行管理的主要手段。
本课题所研究的智能交通监控系统主要利用三菱PLC实现对道路交通的监控管理，同时在PC机内VB构建一个交通信息处理发布平台，通过VB内的MSComm控件读取PLC反馈的道路现场情况，经过信息处理发布平台后台处理后，及时对管理人员与车辆驾驶者发布路况信息，提高公路的流畅性降低交通阻塞。
本系统利用PC机建立的上位机监控系统可以及时反映出所监控路口的及时交通状况，并对发生情况具有详细文字提示或说明。
可以减少人员工作量，提高工作效率，提高道路资源的使用率。
2智能交通监控系统的设计思路
系统总体设计
本课题的智能交通系统由信息处理发布与智能控制两部分构成。
由PC机内的MicrosoftVisualBasic（以下简称VB）程序建立的信息处理发布部分，通过VB的串行端口控件MSComm经RS_232串行通讯端接收由PLC送出的信号。
监控人员只需设置和监视MSComm控件的属性和事件，就可以轻而易举地实现串行异步通讯。
信息处理部分将对接收信号进行读取并处理，数据处理依赖VB程序中的IfElse结构，对输入信息进行比较，得出处理结果。
将处理结果发布在VB界面上,在Text1内显示信息提示及实时路况。
三菱PLC主要用于红绿灯的控制，在红绿灯中加入‘直行、左转、右转’三向导向箭头，将直行与转弯车辆分开，达到路口车辆通行的有序性。
红绿灯的控制主要依靠PLC内部的定时器，具体为一对方向上的绿灯时间与黄灯时间之和为另一对方向的红灯时间，当绿灯时间改变时，另一路口红灯时间也会发生相对改变。
车流量统计依靠PLC内部的计数器与定时器，在定时器预设的时段内对路口车辆数进行统计，将统计结果与计数器内预设的车流量统计值进行比较，若统计值达到延长相应路口绿灯时间的要求，则红绿灯在本周期结束后，下一周期开始时延长路口绿灯时间。
当运行中的PLC接收到特殊信号的响应请求时，即PLC得到强制改变现有状态的输入量后，PLC在第一时间将现有信号状态强制中断响应请求，将请求响应路口的三向红绿灯全部改变为绿灯，其余三个路口均变为红灯，实现特殊车辆快速通过，当特殊车辆通过路口后，各路口红绿灯恢复正常显示。
图2-1系统总体框架图
智能交通灯的设计
本课题所提及智能交通灯的运行均基于三菱PLC的控制，本课题通过三菱PLC的控制主要实现交通灯的以下几个功能：
（1）常规红绿灯的逻辑控制；
（2）对通过各路口在设定时间内的车流量进行统计；
（3）根据所得统计值，自行判断是否应该改变相应路口的放行绿灯时间；
（4）接受特殊车辆的响应请求，及时改变请求路口放行信号。
需要说明的是：
本课题中所需的车流量检测和特殊响应接收传感器对PLC的输入量均采取用开关量模拟实现。
上位机监控系统的设计
上位机监控系统是用于终端用户而设计的，目的在于使终端用户可以对当前系统的运行状态一目了然，对紧急情况可以及时监察到，节约了大量人力、物力和财力的投入。
本次毕业设计的上位机监控系统主要由PC机内VB软件来编程设计，主要实现以下几个功能：
（1）读取指定PLC内元件状态；
（2）在模拟界面上实时显示交通灯状态的变化情况；
（3）对紧急相应路口实现及时信息发布说明。
3开发工具基础知识及串口通讯技术
可编程控制器
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
3.1.1可编程控制器简介
根据国际电工委员会（IEC）在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式火模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
[6]PLC有以下几个特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）配置齐全，功能完善，适用性强。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统设计周期短，维护方便，改造容易。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。
系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。
根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。
可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要。
它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技（ComputerControlCommunication）相结合，不断发展完善的。
目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
3.1.2三菱FX2N系列PLC简介
FX2N系列PLC是三菱推出的端子排型高性能标准规格机器，具有高速、高功能等基本性能，适用于从普通顺控开始的广泛领域，并具有适用于各种各样领域的充实的扩展设备，包括数字量输入输出扩展、模拟量输入输出扩展、温度控制、脉冲定位控制、高速计数控制、通信控制、现场总线控制、以太网网络系统等。
（1）控制规模：
16～256点
（2）内置8K容量的EEPROM存储器,最大可以扩展到16K
（3）CPU运算处理速度～μS/基本指令
（4）在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块
（5）基本单元内置2轴独立最高100kHz定位功能（晶体管输出型）
（6）可以连接模拟量、定位、通信、网络等各种特殊扩展设备
（7）辅助继电器：
3072点
（8）定时器：
256点
（9）计数器：
235点
（10）数据寄存器：
8000点
（11）基本单元：
16/32/48/64/80/128点，有继电器输出型和晶体管输出型
3.1.3三菱FX系列PLC编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C
SWOPC-FXGP/WIN-C是三菱早期推出的对应于旗下FX系列PLC的编程软件，可在Windows及Windows95以上版本操作系统下运行。
该软件的编程思路是自上而下的单一纵向结构，可通过线路符号,列表语言及SFC符号来创建顺控指令程序,建立注释数据和设置寄存器数据。
该程序可在串行系统中与可编程控制器进行通讯,文件传送,操作监控以及各种测试功能，可以创建顺控指令程序以及将其存储为文件,具有用打印机打印功能。
编写好的程序需要通过另外一根通信线下载到PLC中，三菱编程线的型号是SC-09。
但该程序不具有纵向和横向兼备的结构，同时子程序也不支持局部变量。
目前，三菱公司已推出最新用于三菱FX系列PLC编程的工具GX系列编程软件。
3.1.4三菱FX系列PLC通讯协议
三菱FX系列PLC共有四种通信模式，使用较多的有两种：
第一种方法是在PLC中编译一段数据发送程序，为了与计算机通信要求一致，在PLC程序中必须对特殊寄存器D812进行设置，在D8120中分别把数据长度、奇偶校验、波特率等参数设定后，计算机与PLC的通信格式就确定了。
PC机发送给PLC的通信命令格式如表3-1，D8120通信格式定义如表3-2，批量读取PLC中数据如表3-3。
另一种方法是采用PLC与计算机专用协议通信方式（无须PLC编程，电脑直接读写操纵PLC），其通讯命令字和通讯格式介绍如表3-4。
表3-1PC机与PLC的通讯命令格式
命令代码
约定说明
ASCII值
VB中表示
ENQ
请求标志
5
chr（5）
ACK
正确标志
6
chr（6）
STX
请求标志
2
chr
（2）
EXT
请求标志
3
chr（3）
表3-2D8120通信格式定义
位号
名称
功能说明
位为OFF（=0）
位为ON（=1）
b0
数据长度
7位
8位
b1
b2
奇偶
（b2，b1）
（0，0）：
无
（0，1）：
奇
（1，1）：
偶
b3
停止位
1位
2位
b4
b5
b6
b7
波特率（bit/s）
（b7，b6，b5，b4）（0，1，1，0）：
2400
（0，0，1，1）：
300（0，1，1，1）：
4800
（0，1，0，0）：
600（1，0，0，0）：
9600
（0，1，0，1）：
1200（1，0，0，1）：
19200
b8
标题
无
有效（D8124）默认：
STX（02H）
b9
终结符
无
有效（D8125）默认：
EXT（03H）
b10
b11
b12
控制线
无协议
（b12，b11，b10）
（0，0，0）：
无作用（RS_232C接口）
（0，0，1）：
端子模式（RS_232C接口）
（0，1，0）：
互连模式（RS_232C接口）
（0，1，1）：
普通模式1（RS_232C接口），[RS_485（422）接口]
（1，0，1）：
普通模式2（RS_232C接口）
计算机连接
（b12，b11，b10）
（0，0，0）：
RS_485（422）接口
（0，1，0）：
RS_232C接口
b13
和校验
没有添加和校验
自动添加和校验
b14
协议
无协议
专用协议
b15
传输控制协议
协议格式1
协议格式4
表3-3寄存器在PC机批量读取PLC中数据
PC侧
1
2
3
4
5
6
7
8
15
16
17
ENQ
站号
PLC号
读方式
延时
首地址
数量
和校验
ACK
站号
PLC号
PLC侧
STX
站号
PLC号
数据
E
X
T
和校验
9
10
11
12
13
14
表3-4PLC与计算机专用协议通讯命令字和通讯格式
PC发送给PLC的通信命令字
命令字
注释
BR
1点为单位
读出位元件的状态
WR
16点为单位
读出位元件的状态
1字为单位
读出字元件的值
BW
1点为单位
写入位元件的状态
WW
16点为单位
写入位元件的状态
1字为单位
写入值到字元件
BT
1点为单位
设置/复位 位元件
WT
16点为单位
设置/复位 位元件
1字为单位
写入值到字元件
RR
/
控制PLC运行RUN
RS
/
控制PLC停止STOP
PC
/
读出PLC设备类型
TT
/
连接测试
MicrosoftVisualBasic
VisualBasic对界面、图形图像、多媒应以及操作系统控制都有着强大的支持。
可视化的开发环境、丰富的控件支持、与WindowsAPI的结合是的VisualBasic成为工程实践中重要的开发工具。
3.2.1VisualBasic简介
1991年，美国微软公司推出了VisualBasic（简称VB），目前的最新版本是中文版。
VisualBasic是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。
它简单易学、效率高，且功能强大可以与Windows专业开发工具SDK相媲美。
在VisualBasic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（SPI）函数，以用动态链接库（DLL）、对象的链接与隔嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。
随着版本的提高，VisualBasic的功能也越来越强。
版以后，VisualBasic推出了中文版，与前几版本相比，其功能有了很大提升。
在21世纪初，Microsoft公司推出VisualStudio2003与VisualBasic之间有了重大变化，VisualStudio为各种编程工具合成了一个平台，相对于传统VB，有很大的不同。
，首次使用.Net构架进行可视化编程，并且能很好地与COM构架兼容。
2005年VisualStudio2005则运用了NET的技术，更加的方便了程序员的工作。
可是新的程序对系统配置要求也较高，需要微软.NetFramework以上的.Net构架支持。
3.2.2VB中MSComm控件简介
VB
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